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摘要：精密直线电机ISD203智能伺服驱动器系统，集永磁同步电机（PMSM），内置PLC、驱动、运动控制功能于一体，可单独使用或多台组网构成多轴控制系统，并可共享各轴的I/O，并支持定位、电子齿轮、凸轮、同步控制。驱动器内部集成了单轴定位功能，各轴通过主从式的差分总线连接，通过总线传输参数、控制各轴的运行，支持错误校验和重试。
关键词：精密直线电机;智能伺服系统;驱动器;技术研发
0 引言
目前，国内外的直线电机伺服驱动器都在向高效率化、直接驱动、高速化、高精化、高性能化已经一体化合集成化方向发展。
工业智能设备经常采用多轴控制系统，为使设备能达到较高的定位精度，除了要求控制器有很准确的路径规划算法及插补功能以外，智能伺服驱动器也必须保证在执行控制位置指令时，保持所有控制运动部件严格同步。同时，为了提高设备的运行速度，需要智能伺服系统具有较强的瞬时过载能力和较高的动态响应特性。因此，研究控制精密直线电机的智能伺服驱动系统，广泛应用在要求实现高速、高精度位置控制的自动化设备，尤其是直线电机中具有重要意义。
精密直线电机ISD203智能伺服驱动系统，可广泛应用在要求实现高速、高精度位置控制的工业机器人及工业数控设备。集内置PLC、驱动、运动控制功能于一体，同时支持高级TML运动语言;可单独使用或多台组网构成多轴控制系统，并可共享各轴的I/O，并支持定位、电子齿轮、凸轮、同步控制。为实现直线电机ISD203高速、高精度位置控制具有重要意义。
现代直线电机智能伺服驱动器技术的发展趋势是：①驱动和控制一体化。把驱动器和控制器一起集成制造，功能互通，共享内存信息传输各种控制、状态信息，传输速率高达200M/S;②微型化。微小型驱动技术是新一代智能驱动器控制的新突破，损耗更少，体积更小，质量小，性能更强，成本更低;③标准化。所有部件全部使用标准原件，实现结构组成标准化，装配和维护将更加简单快捷和安全; ④控制数字化。应用驱动器全数字控制是目前直线电机驱动器技术的有效解决方法，将进一步得到发展;⑤高速化和高精化。相比旋转驱动电机，速度和精度都得到了极大提高，这是保证驱动技术得到广泛应用的推动力。⑥低噪音。相比其他技术，噪音更低。
1 建立永磁同步电机（PMSM）
永磁同步电机的原理为：在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，磁场空间中产生磁场推力，使定子和永磁体转子产生相对运动，产生推力，带动电机工作。具体地说，因为三相正弦电流对称，通电后产生磁场，带动转子旋转，利用磁性的异性相吸原理，吸引其中的永磁体产生一个恒定的磁场进行旋转，这是一个以通电频率为角速度的磁场，其转矩与主磁通量和转矩电流分量成正比，提供了永磁同步電机的输出参数，从而带动直线电机运行。如图1所示。
基本工作结构主要是由两大部分组成：定子结构（电磁绕组）和转子结构（永磁体），其他还有链路等。
定子结构十分类似于普通感应电机结构，主要是由电磁绕组构成，高耐热的漆包线组成了电磁绕组线圈的导线，每个绕组有两个直角边，分别嵌入齿槽中，起很好的固定作用，所以称之为定子，它是电磁通量进行能量转换的主要组成部分。电磁绕组分为单层绕组和双层绕组，其中，双层绕组的每相每极多于两个绕组边时，此电磁绕组成为分布式绕组，该绕组对方波有很好的效果，并产生特有的端部效应，通电的三相绕组对定子永磁体产生磁性作用，当尝试的磁场力的方向相同时，合力达到最大，对直线电机产生强大推力，并且低振动和低噪音。因此，三相绕组的排列有一定顺序，不能随便安装，磁场感应力会有抵消作用，不允许出现这个情况。这时候，可能会产生某一齿槽出现空槽现象，这会使电磁绕组的三相电流参数不对称，无法形成最大合力，也达不到最大推力，不符合设计要求，在这种情况下，可以采取电磁绕组重组方式，保持原绕组各相不变化，只改变空槽的绕组，这样可以使电磁电流方向保持不变，同原来的一致，保留了原有电磁绕组的特性。
转子结构由转子铁芯、永磁体和转轴组成。永磁体使用钕铁硼稀土，我国有丰富的稀土资源，性能价格比较好，应用广泛。永磁体与定子电磁绕组和铁芯进行相互耦合作用，产生反电动势，这样，电机启动以后，电流就会减小，可以较好地起到保护设备的作用，延长寿命，并大大地降低了成本。同时，将磁性钢板交替安装在铁板上，可以减少磁通量泄露，提高磁感应强度，降低磁滞效应损失，增大直线电机的推力。
直线电机的装配。如图2所示，首先，进行电机的平面度和直线度检验，其次，安装定子结构，即电磁绕组，再次，固定转子，最后调整各部件之间的间隙，其中最主要的是磁极板间的气隙。其中，要注意定位台阶的位置。
2 精密直线电机ISD203的智能伺服系统结构
智能伺服系统结构主要由四个运动轴组成，其中包括三个直线轴和一个旋转轴，各轴通过主从式的差分总线连接和组装。直线电机智能伺服系统安装在惯性量最大的直线轴上。直线电机选择合理，连续推力较大，可以满足生产需求，动态性能更好，并没有齿槽效应，降低了发热量。
伺服系统驱动器可以接受外部位置脉冲指令输入和各种信号编码器反馈，内部有位置控制、速度控制、电流控制三种闭环控制方式。其控制原理如图3。
伺服系统驱动器主要有三种：方波信号传输编码器、正弦信号传输编码器和针对绝对坐标位置编码器，并采用方波信号传输，参数可满足要求，这三种驱动方式相辅相成，互相综合作用，形成一个整体，缺一不可。其基本参数为：输入电压范围-12～12v，最大电流80Ma，最大频率3.5MHz，速度周期500ms，位置刷新周期250ms，推力大小根据需要调整。
电机和驱动器组成一个闭环智能伺服控制系统，用户可以通过调整驱动器参数改变伺服系统各项参数。驱动器内部集成单轴定位功能，可以自动运行;坐标编辑使用相对坐标;传感器可以自动回到原点。速度复位可进行调节、500步/转，最大行程600mm，软件自带限位保护。 驱动器调试提供了三种方式，可由自身产生各种指令控制。电流控制信息由驱动器的电机数据库参数决定。选择伺服系统驱动器的速度指令控制、脉冲位置指令控制、位置指令控制和力矩指令控制。速度控制选用 KP和 KV 控制器，当选用脉冲位置控制指令控制，选用 VP和速度、加速度反馈的控制方式。
3 智能伺服系统驱动器工作原理
驱动器工作原理如图4所示。在接收到高电压源和控制信号反馈信息时，V1和V2接通，电流持续上升，其他条件不发生变化，这时候，V1关闭，导致高压电源断开，低压电源对电磁绕组（定子）提供电源，工作电路导通，作业继续。如果电流下降，降低到某一个值时，反馈装置作出响应，使V1接通，这样电流上升，这样可以保证驱动器电路电流始终保持在某一个确定值，这种工作原理，由于较好地控制了电流值的大小，并保持了高低压驱动的优势，可以很好地发挥直线电机的综合性能，提高工作效率。
4 关于精密直线电机ISD203智能伺服系统驱动器的几个关键技术问题研究及其解决办法
随着控制技术、电子技术、自动控制、材料科学等学科技术的发展，带动精密直线电机进入了高速发展阶段，同时，引用范围也越来越大，而由于智能伺服系统驱动技术比传统的驱动技术具有更先进的优势，从而发展越来越快。但同时直线电机本身也面临一些问题需要得到很好解决，在使用精密直线电机同时，也要克服电机本身的一些缺陷或不足，做好各项综合比较、充分利用并发挥直线电机的各项优异性能，并注意解决好以下五个方面的关键技术研发问题。
①数学建模进行分析解决问题的方法。可以建立直线电机的各种数学模型，模拟和测量实际的作业过程，发现问题，并改正完善，促进电机更快的发展。比如：建立直线电机模型，然后将端部效应加入进去，进行模拟和测试，以达到最好的效果，并促进直线电机的发展。
②高精度和低振动。虽然相比传统的电机，能达到更高的精度和更低的振动，但是，随着现代制造技术的不断进步，和工艺水平的不断提高，对高精度和低振动有更高的要求，原有的精度和振动已经达不到现在的要求，需要进一步提高，以适应社会不断进步的需求。
③完善和改进智能伺服控制系统。对于直线电机，负载直接作用于伺服控制系统，原因就是伺服控制系统是直接驱动电机的负载，这样，受到的切削力或其他的外界负载就直接作用于电机，并直接影响电机的运行，因此，很有必要增强直线电机的抗干扰性，加快电机的响应时间，提高电机的精密度。所以，要整体提高直线电机的伺服系统的总体性能，具体点就是，采用高速计算机控制，尽可能多地进行系统集成，全数字驱动，控制数字化，组成微型化和标准化，真正实现控制和驱动的机电一体化。
④驱动和控制一体化。虽然驱动器和控制器是集成在一起，但是，它们很多时候是分开执行指令，可以将它们的功能更多地集成在一起，提高指令的执行效率，缩短响应的时间，提高整个直线电机的工作效率。
⑤精密直线电机的电压。精密直线电机的电压，尤其是电源电压，直接影响直线电机的推力大小，因此必须采取有效措施，保证电机电源电压和整个电路电压的稳定，以保证精密直线电机的正常高效运行。
5 结束语
精密直线电机ISD203智能伺服驱动器系统，集成永磁同步电機（PMSM），内置PLC、驱动、运动控制功能于一体，同时支持高级TML运动语言;可单独使用或多台组网构成多轴控制系统，并可共享各轴的I/O，并支持定位、电子齿轮、凸轮、同步控制。驱动器内部集成了单轴定位功能，各轴通过主从式的差分总线连接，通过总线传输参数、控制各轴的运行，支持错误校验和重试。从而使直线电机驱动器在各个方面的应用越来越广泛。
参考文献：
[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2]Brückl S. Feed- drive system with a permanent magnet linear motor for ultra precision machine tools[J]. IEEE 1999 International on Power Electronics and Drive Systems， Hong Kong 1999， 821- 826.
[3]李良福.从机床展览会上看直线电动机的应用前景[J].制造技术与机床，2000（2）：7-9.
[4]郭庆鼎，王成元，周美文.直线交流伺服系统的精密控制技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5]魏志强，王先逵，杨志刚.高速加工机床及其关键技术[J].制造技术与机床，1998（1）：5-7.
[6]Brandenburg G， Brückl S， Dormann J， Schmidt C. Comparative Investigation of Rotary and Linear Motor Feed Drive Systems for High Precision Machine Tools [J]. 2000 IEEE ， AMC2000 - NAGOYA ： 384-389.
关键词：精密直线电机;智能伺服系统;驱动器;技术研发
0 引言
目前，国内外的直线电机伺服驱动器都在向高效率化、直接驱动、高速化、高精化、高性能化已经一体化合集成化方向发展。
工业智能设备经常采用多轴控制系统，为使设备能达到较高的定位精度，除了要求控制器有很准确的路径规划算法及插补功能以外，智能伺服驱动器也必须保证在执行控制位置指令时，保持所有控制运动部件严格同步。同时，为了提高设备的运行速度，需要智能伺服系统具有较强的瞬时过载能力和较高的动态响应特性。因此，研究控制精密直线电机的智能伺服驱动系统，广泛应用在要求实现高速、高精度位置控制的自动化设备，尤其是直线电机中具有重要意义。
精密直线电机ISD203智能伺服驱动系统，可广泛应用在要求实现高速、高精度位置控制的工业机器人及工业数控设备。集内置PLC、驱动、运动控制功能于一体，同时支持高级TML运动语言;可单独使用或多台组网构成多轴控制系统，并可共享各轴的I/O，并支持定位、电子齿轮、凸轮、同步控制。为实现直线电机ISD203高速、高精度位置控制具有重要意义。
现代直线电机智能伺服驱动器技术的发展趋势是：①驱动和控制一体化。把驱动器和控制器一起集成制造，功能互通，共享内存信息传输各种控制、状态信息，传输速率高达200M/S;②微型化。微小型驱动技术是新一代智能驱动器控制的新突破，损耗更少，体积更小，质量小，性能更强，成本更低;③标准化。所有部件全部使用标准原件，实现结构组成标准化，装配和维护将更加简单快捷和安全; ④控制数字化。应用驱动器全数字控制是目前直线电机驱动器技术的有效解决方法，将进一步得到发展;⑤高速化和高精化。相比旋转驱动电机，速度和精度都得到了极大提高，这是保证驱动技术得到广泛应用的推动力。⑥低噪音。相比其他技术，噪音更低。
1 建立永磁同步电机（PMSM）
永磁同步电机的原理为：在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，磁场空间中产生磁场推力，使定子和永磁体转子产生相对运动，产生推力，带动电机工作。具体地说，因为三相正弦电流对称，通电后产生磁场，带动转子旋转，利用磁性的异性相吸原理，吸引其中的永磁体产生一个恒定的磁场进行旋转，这是一个以通电频率为角速度的磁场，其转矩与主磁通量和转矩电流分量成正比，提供了永磁同步電机的输出参数，从而带动直线电机运行。如图1所示。
基本工作结构主要是由两大部分组成：定子结构（电磁绕组）和转子结构（永磁体），其他还有链路等。
定子结构十分类似于普通感应电机结构，主要是由电磁绕组构成，高耐热的漆包线组成了电磁绕组线圈的导线，每个绕组有两个直角边，分别嵌入齿槽中，起很好的固定作用，所以称之为定子，它是电磁通量进行能量转换的主要组成部分。电磁绕组分为单层绕组和双层绕组，其中，双层绕组的每相每极多于两个绕组边时，此电磁绕组成为分布式绕组，该绕组对方波有很好的效果，并产生特有的端部效应，通电的三相绕组对定子永磁体产生磁性作用，当尝试的磁场力的方向相同时，合力达到最大，对直线电机产生强大推力，并且低振动和低噪音。因此，三相绕组的排列有一定顺序，不能随便安装，磁场感应力会有抵消作用，不允许出现这个情况。这时候，可能会产生某一齿槽出现空槽现象，这会使电磁绕组的三相电流参数不对称，无法形成最大合力，也达不到最大推力，不符合设计要求，在这种情况下，可以采取电磁绕组重组方式，保持原绕组各相不变化，只改变空槽的绕组，这样可以使电磁电流方向保持不变，同原来的一致，保留了原有电磁绕组的特性。
转子结构由转子铁芯、永磁体和转轴组成。永磁体使用钕铁硼稀土，我国有丰富的稀土资源，性能价格比较好，应用广泛。永磁体与定子电磁绕组和铁芯进行相互耦合作用，产生反电动势，这样，电机启动以后，电流就会减小，可以较好地起到保护设备的作用，延长寿命，并大大地降低了成本。同时，将磁性钢板交替安装在铁板上，可以减少磁通量泄露，提高磁感应强度，降低磁滞效应损失，增大直线电机的推力。
直线电机的装配。如图2所示，首先，进行电机的平面度和直线度检验，其次，安装定子结构，即电磁绕组，再次，固定转子，最后调整各部件之间的间隙，其中最主要的是磁极板间的气隙。其中，要注意定位台阶的位置。
2 精密直线电机ISD203的智能伺服系统结构
智能伺服系统结构主要由四个运动轴组成，其中包括三个直线轴和一个旋转轴，各轴通过主从式的差分总线连接和组装。直线电机智能伺服系统安装在惯性量最大的直线轴上。直线电机选择合理，连续推力较大，可以满足生产需求，动态性能更好，并没有齿槽效应，降低了发热量。
伺服系统驱动器可以接受外部位置脉冲指令输入和各种信号编码器反馈，内部有位置控制、速度控制、电流控制三种闭环控制方式。其控制原理如图3。
伺服系统驱动器主要有三种：方波信号传输编码器、正弦信号传输编码器和针对绝对坐标位置编码器，并采用方波信号传输，参数可满足要求，这三种驱动方式相辅相成，互相综合作用，形成一个整体，缺一不可。其基本参数为：输入电压范围-12～12v，最大电流80Ma，最大频率3.5MHz，速度周期500ms，位置刷新周期250ms，推力大小根据需要调整。
电机和驱动器组成一个闭环智能伺服控制系统，用户可以通过调整驱动器参数改变伺服系统各项参数。驱动器内部集成单轴定位功能，可以自动运行;坐标编辑使用相对坐标;传感器可以自动回到原点。速度复位可进行调节、500步/转，最大行程600mm，软件自带限位保护。 驱动器调试提供了三种方式，可由自身产生各种指令控制。电流控制信息由驱动器的电机数据库参数决定。选择伺服系统驱动器的速度指令控制、脉冲位置指令控制、位置指令控制和力矩指令控制。速度控制选用 KP和 KV 控制器，当选用脉冲位置控制指令控制，选用 VP和速度、加速度反馈的控制方式。
3 智能伺服系统驱动器工作原理
驱动器工作原理如图4所示。在接收到高电压源和控制信号反馈信息时，V1和V2接通，电流持续上升，其他条件不发生变化，这时候，V1关闭，导致高压电源断开，低压电源对电磁绕组（定子）提供电源，工作电路导通，作业继续。如果电流下降，降低到某一个值时，反馈装置作出响应，使V1接通，这样电流上升，这样可以保证驱动器电路电流始终保持在某一个确定值，这种工作原理，由于较好地控制了电流值的大小，并保持了高低压驱动的优势，可以很好地发挥直线电机的综合性能，提高工作效率。
4 关于精密直线电机ISD203智能伺服系统驱动器的几个关键技术问题研究及其解决办法
随着控制技术、电子技术、自动控制、材料科学等学科技术的发展，带动精密直线电机进入了高速发展阶段，同时，引用范围也越来越大，而由于智能伺服系统驱动技术比传统的驱动技术具有更先进的优势，从而发展越来越快。但同时直线电机本身也面临一些问题需要得到很好解决，在使用精密直线电机同时，也要克服电机本身的一些缺陷或不足，做好各项综合比较、充分利用并发挥直线电机的各项优异性能，并注意解决好以下五个方面的关键技术研发问题。
①数学建模进行分析解决问题的方法。可以建立直线电机的各种数学模型，模拟和测量实际的作业过程，发现问题，并改正完善，促进电机更快的发展。比如：建立直线电机模型，然后将端部效应加入进去，进行模拟和测试，以达到最好的效果，并促进直线电机的发展。
②高精度和低振动。虽然相比传统的电机，能达到更高的精度和更低的振动，但是，随着现代制造技术的不断进步，和工艺水平的不断提高，对高精度和低振动有更高的要求，原有的精度和振动已经达不到现在的要求，需要进一步提高，以适应社会不断进步的需求。
③完善和改进智能伺服控制系统。对于直线电机，负载直接作用于伺服控制系统，原因就是伺服控制系统是直接驱动电机的负载，这样，受到的切削力或其他的外界负载就直接作用于电机，并直接影响电机的运行，因此，很有必要增强直线电机的抗干扰性，加快电机的响应时间，提高电机的精密度。所以，要整体提高直线电机的伺服系统的总体性能，具体点就是，采用高速计算机控制，尽可能多地进行系统集成，全数字驱动，控制数字化，组成微型化和标准化，真正实现控制和驱动的机电一体化。
④驱动和控制一体化。虽然驱动器和控制器是集成在一起，但是，它们很多时候是分开执行指令，可以将它们的功能更多地集成在一起，提高指令的执行效率，缩短响应的时间，提高整个直线电机的工作效率。
⑤精密直线电机的电压。精密直线电机的电压，尤其是电源电压，直接影响直线电机的推力大小，因此必须采取有效措施，保证电机电源电压和整个电路电压的稳定，以保证精密直线电机的正常高效运行。
5 结束语
精密直线电机ISD203智能伺服驱动器系统，集成永磁同步电機（PMSM），内置PLC、驱动、运动控制功能于一体，同时支持高级TML运动语言;可单独使用或多台组网构成多轴控制系统，并可共享各轴的I/O，并支持定位、电子齿轮、凸轮、同步控制。驱动器内部集成了单轴定位功能，各轴通过主从式的差分总线连接，通过总线传输参数、控制各轴的运行，支持错误校验和重试。从而使直线电机驱动器在各个方面的应用越来越广泛。
参考文献：
[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2]Brückl S. Feed- drive system with a permanent magnet linear motor for ultra precision machine tools[J]. IEEE 1999 International on Power Electronics and Drive Systems， Hong Kong 1999， 821- 826.
[3]李良福.从机床展览会上看直线电动机的应用前景[J].制造技术与机床，2000（2）：7-9.
[4]郭庆鼎，王成元，周美文.直线交流伺服系统的精密控制技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5]魏志强，王先逵，杨志刚.高速加工机床及其关键技术[J].制造技术与机床，1998（1）：5-7.
[6]Brandenburg G， Brückl S， Dormann J， Schmidt C. Comparative Investigation of Rotary and Linear Motor Feed Drive Systems for High Precision Machine Tools [J]. 2000 IEEE ， AMC2000 - NAGOYA ： 384-389.